CN114000897B - 一种新型顶板支护装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井工开采安全技术领域，提供了一种新型顶板支护装置及其安装方法。包括：自上而下依次设置的螺纹焊钉橡胶组合连接杆、钢‑混组合承压体、三角构架和焊钉橡胶支柱；螺纹焊钉橡胶组合连接杆的上端安装于顶板的固定孔处；钢‑混组合承压体为两块矩形钢板与连接焊钉连接而成的无侧壁箱体；螺纹焊钉橡胶组合连接杆的下端与钢‑混组合承压体的上侧矩形钢板固定连接；钢‑混组合承压体的下侧矩形钢板固定连接在三角构架的上部，三角构架的下部与焊钉橡胶支柱连接。本发明的有益效果在于：该装置大量使用了焊钉橡胶组合连接杆，一方面利用焊钉的高抗压能力增强了对矿井顶板的支护效果，另一方面由于橡胶套筒的存在降低了剪切刚度。

Description

一种新型顶板支护装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及井工开采安全技术领域，尤其涉及一种新型顶板支护装置及其安装方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速发展，所需要的煤炭资源量越来越多，开采深度逐渐加深，矿山开采面积也在不断增加。目前，采矿方法包括露天采矿、井工开采和原位改性开采三种，我国煤矿生产主要以井工开采为主。

在我国，井工开采法占据煤炭开采中的主导地位，然而井下安全事故频发，严重威胁着施工人员的人身安全，人们也逐渐重视在井下巷道掘进时顶板的安全性问题和施工安全。当前我国顶板支护控制技术主要从深孔预裂爆破和优化支护装备技术两方面开展研究，其中最为重要的即为顶板支护装备技术。顶板支护的研究从未间断，支护形式已经由木支护、石材支护、棚架支护等发展到现在的液压支架支护和锚杆锚网支护。

传统的液压支架支护和锚杆锚网支护在一定方面和程度上相对有一定的优势，但是在一些地质情况较为复杂的巷道中，应用传统的液压支架和锚杆支护有一定的局限性，具体存在以下弊端：

1.当顺槽上方为采空区时传统液压支架支护对下方煤质或土质硬度等要求较高，否则无法保证支架稳定。

2.液压支架占地面积较大，不易安装拆卸，对工作面宽度等有较大要求与限制。

3.锚杆支护属于隐形支护，对支护质量及可靠性的监测、检测不易，有时会出现无明显先兆的冒顶事故。

4.对软岩巷道，锚杆支护不能有效的控制顶板塌陷，垮落现象时有发生。

5.厚煤层开采时开采工作面采用的托顶煤巷道，该类型巷道对支护装置的抗压性、抗剪性、抗弯性及抗扭性等要求均十分严苛，传统锚杆支护及液压支护难以承担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型顶板支护装置及其安装方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型顶板支护装置，包括：自上而下依次设置的螺纹焊钉橡胶组合连接杆、钢-混组合承压体、三角构架和焊钉橡胶支柱；所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆的上端安装于顶板的固定孔处；其中，所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆中的外侧螺纹焊钉包裹于内侧螺纹橡胶套筒之内，所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆与其四周的充填膨胀剂配合使用；所述钢-混组合承压体为两块矩形钢板与连接焊钉连接而成的无侧壁箱体；所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆的下端与所述钢-混组合承压体的上侧所述矩形钢板固定连接；所述钢-混组合承压体的下侧所述矩形钢板固定连接在所述三角构架的上部，所述三角构架的下部与所述焊钉橡胶支柱连接。

可选实施例中，所述外侧螺纹焊钉的直径d₁、内侧螺纹橡胶套筒的厚度d₂、固定孔的宽度d_s和充填膨胀剂厚度的d₃应当满足d_s＝d₁+2d₂+2d₃。

可选实施例中，所述外侧螺纹焊钉的长度L₁、内侧螺纹橡胶套筒的长度L₂、固定孔的深度L和充填膨胀剂的高度L₃应当满足L＝L₂，L₁＝L₃<L。

可选实施例中，所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆通过阻尼式螺母Ⅰ铆接于所述钢-混组合承压体的固定孔端口处，每个所述钢-混组合承压体上铆接一个或所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆；所述钢-混组合承压体的两所述矩形钢板与所述连接焊钉焊接，所述连接焊钉上包裹有橡胶套筒Ⅰ。

可选实施例中，所述焊钉橡胶支柱由承压焊钉与橡胶套筒Ⅱ裹合而成，所述焊钉橡胶支柱的下端与矩形托盘通过阻尼式螺母Ⅲ铆接。

可选实施例中，所述三角构架的两分支架上部通过阻尼式螺母分别铆接于相邻的两个所述钢-混组合承压体的下侧中心位置；所述三角构架的两分支架的相交顶点处与所述焊钉橡胶支柱的上端通过阻尼式螺母Ⅱ铆接。

可选实施例中，所述的钢-混组合承压体中的所述矩形钢板厚度为20mm，所述连接焊钉的长度为200mm、直径为22mm，所述橡胶套筒Ⅰ的厚度为4mm、高度为16.5mm。

可选实施例中，所述钢-混组合承压体内部需浇筑水泥混凝土，所述水泥混凝土采用C60高强度水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、钢纤维、减水剂配置而成。

另一方面，本发明还提供了如上所述的新型顶板支护装置的安装方法，包括如下步骤：

步骤1：将每个所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆安装至钻孔机在顶板上所打的固定孔中，使用泥浆泵充填膨胀剂，依靠其膨胀机理使所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆稳固地镶嵌于顶板岩层的内部；

步骤2：单独组所述装钢-混组合承压体及焊钉橡胶支柱；

步骤3：将螺纹焊钉橡胶组合连接杆与所述钢-混组合承压体铆接，使用螺母铆接所述三角构架与相邻的两所述两钢-混组合承压体的各自中心，再将所述焊钉橡胶支柱与矩形托盘铆接，随后将所述焊钉橡胶支柱与所述三角构架铆接；

步骤4：使用挡板围于所述钢-混组合承压体的四周，使用仪器按预定比例配制高强度的水泥混凝土，在所述钢-混组合承压体中间浇筑所述水泥混凝土，待所述水泥混凝土凝固后卸除四周挡板。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明中的新型顶板支护装置大量使用了焊钉橡胶组合连接杆，一方面利用焊钉的高抗压能力增强了对矿井顶板的支护效果，另一方面由于橡胶套筒的存在降低了剪切刚度，改善了顶板破碎及大面积来压时传统支护方式无法兼顾多重力学要求的缺陷，在每个钢-混组合承压体的上侧中心点处均设置一根螺纹焊钉橡胶组合连接杆，主要机理是通过螺纹焊钉橡胶组合连接杆与外侧膨胀剂的配合使用增强其与顶板的咬合力，从而对钢-混组合承压体产生强大的拉力，使得钢-混组合承压体能够紧密支撑顶板起到支护效果。

(2)本发明中的新型顶板支护装置在顶板固定孔中的内侧螺纹橡胶套筒的高度大于外侧螺纹焊钉的高度，并使用螺纹连接，其他部分大量使用铆接，便于在开采完成后拆卸，有利于二次利用，提升了经济效益。

(3)本发明中的新型顶板支护装置使用三角构架分力的原理降低了作用在焊钉橡胶支柱上的垂直作用力，提高了安全系数，改善了新型支护装置的受力状态。此外，该支护装置使用钢混结构，其中混凝土材料使用各种不同性能的混合料(C60混凝土、减水剂、钢纤维等)，增强了其抗压、剪、弯、扭等各方面性能，且易通过混凝土的开裂情况观测顶板岩层的压力情况，使隐形显性化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施例中提供的新型顶板支护装置的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例中提供的新型顶板支护装置中钢-混组合承压体的内部结构示意图。

图3本发明一实施例中提供的新型顶板支护装置中螺纹焊钉橡胶组合连接杆的横断面示意图。

其中：1-螺纹焊钉橡胶组合连接杆；2-内侧螺纹橡胶套筒；3-橡胶套筒内壁螺纹；4-外侧螺纹焊钉；5-阻尼式螺母Ⅰ；6-钢-混组合承压体；7-矩形钢板；8-水泥混凝土；9-连接焊钉；10-橡胶套筒Ⅰ；11-三角构架；12-阻尼式螺母Ⅱ；13-焊钉橡胶支柱；14-橡胶套筒Ⅱ；15-承压焊钉；16-阻尼式螺母Ⅲ；17-矩形托盘。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。

实施例一

请参阅附图1-2，本实施例的目的在于提供了一种新型顶板支护装置，其极好地改善了井工开采时出现的顶板塌陷问题，极大提升了支护装置在抗弯、压、扭、剪等各方面的综合性能，以此进行有效的顶板支护。该支护装置包括：自上而下依次设置的螺纹焊钉橡胶组合连接杆1、钢-混组合承压体6、三角构架11和焊钉橡胶支柱13。

具体地，螺纹焊钉橡胶组合连接杆1的上端安装于顶板的固定孔处，其中，螺纹焊钉橡胶组合连接杆1中的外侧螺纹焊钉4包裹于内侧螺纹橡胶套筒2之内，以增强其抗剪性以及可塑性，外侧螺纹焊钉4包裹与内侧螺纹橡胶套筒2之间使用螺纹连接，方便拆卸；螺纹焊钉橡胶组合连接杆1与其四周的充填膨胀剂配合使用。需要明确的是，顶板的固定孔供螺纹焊钉橡胶组合连接杆1紧固使用，其具体实施方式为：采用钻机在顶板适当位置处钻孔，将螺纹焊钉橡胶组合连接杆1镶嵌于固定孔内，使用泥浆泵在螺纹焊钉橡胶组合连接杆1四周进行灌浆充填膨胀剂，螺纹焊钉橡胶组合连接杆1的作用主要为在顶板岩层内部进行横向承压并固定和承受钢-混组合承压体6的拉力，充填膨胀剂主要是通过其膨胀机理固定螺纹焊钉橡胶组合连接杆1，并使上述整体结构对下部其他结构起到固定连接的作用。

进一步地，钢-混组合承压体6为两块矩形钢板7与连接焊钉9连接而成的无侧壁箱体，优选地，钢-混组合承压体6的两矩形钢板7与连接焊钉9焊接，连接焊钉9上包裹有橡胶套筒Ⅰ10。钢-混组合承压体6中的矩形钢板7厚度为20mm，中间四根连接焊钉9的长度为200mm、直径为22mm，连接焊钉9上的橡胶套筒Ⅰ10的厚度为4mm(连接焊钉9直径的1/8左右)、高度为16.5mm(连接焊钉9高度的3/4)。值得一提的是，螺纹焊钉橡胶组合连接杆1的下端与钢-混组合承压体6的上侧矩形钢板7固定连接，优选地，螺纹焊钉橡胶组合连接杆1通过阻尼式螺母Ⅰ5铆接于钢-混组合承压体6的固定孔端口处，每个钢-混组合承压体6上铆接一个螺纹焊钉橡胶组合连接杆1，主要机理是通过螺纹焊钉橡胶组合连接杆1与外侧膨胀剂的配合使用增强其与顶板的咬合力，从而对钢-混组合承压体6产生强大的拉力，使得钢-混组合承压体6能够紧密支撑顶板起到支护效果，相邻两个钢-混组合承压体6之间通过作用力挤压连接。

需要指出的是，在箱体中间浇筑内部需浇筑水泥混凝土8，其作用在于增强抗压、抗剪性能，并通过水浇筑水泥混凝土8的开裂观察岩层内部压力情况。浇筑水泥混凝土8材料使用C60高强度水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、钢纤维、减水剂等按照一定比例混合而成，其作用为利用高强度水泥材料、减水剂等增强该装置的抗压性，加入钢纤维可提高钢-混组合承压体的抗剪承载力及疲劳性能，水泥混凝土8在具体施工时，水灰比、钢纤维掺量、减水剂含量等均应以满足构件各方面力学性能、塌落度以及和易性为宜。在浇筑混凝土时应往构件内表面涂抹适当润滑剂，以方便后期拆卸时卸除混凝土，减轻人力负担。

更进一步地，钢-混组合承压体6的下侧矩形钢板7固定连接在三角构架11的上部，三角构架11的下部与焊钉橡胶支柱13连接。优选地，三角构架11的两分支架上部通过阻尼式螺母分别铆接于相邻的两个钢-混组合承压体6的下侧中心位置，通过分力形式减轻承重压力。三角构架11的两分支架的相交顶点处与焊钉橡胶支柱13的上端通过阻尼式螺母Ⅱ12铆接。

此外，焊钉橡胶支柱13为最下层部分，焊钉橡胶支柱13由承压焊钉15与橡胶套筒Ⅱ14裹合而成，进一步增强了该装置的抗压性、抗剪性和疲劳寿命，橡胶套筒Ⅱ14的厚度设定为承压焊钉15直径的1/8左右，高度设置为承压焊钉15高度的3/4，承压焊钉15直径与高度应满足具体开采巷道高度及顶板情况为宜。焊钉橡胶支柱13的下端与矩形托盘17通过阻尼式螺母Ⅲ16铆接，增大与地面接触面积，有利于更好地固定，增强安全性能。

最后，外侧螺纹焊钉4的直径d₁、内侧螺纹橡胶套筒2的厚度d₂、固定孔的宽度d_s和充填膨胀剂的厚度为d₃，在内侧螺纹橡胶套筒2的四周进行充填膨胀剂，膨胀剂d₃应当满足d_s＝d₁+2d₂+2d₃。外侧螺纹焊钉4的长度L₁、内侧螺纹橡胶套筒2的长度L₂、固定孔的深度L和充填膨胀剂的高度L₃应当满足L＝L₂，L₁＝L₃<L，内侧螺纹橡胶套筒2高于外侧螺纹焊钉4的优势在于不会使外侧螺纹焊钉4与煤层以及膨胀剂直接接触导致难以拆卸。

实施例二

本实施例的目的在于提供了一种新型顶板支护装置的安装方法，包括如下步骤：

步骤1：将每个螺纹焊钉橡胶组合连接杆1安装至钻孔机在顶板上所打的固定孔中，使用泥浆泵充填膨胀剂，依靠其膨胀机理使螺纹焊钉橡胶组合连接杆1稳固地镶嵌于顶板岩层的内部；

具体地，使用钻机在顶板适当位置处钻取固定孔，固定孔的宽度d_s应等于螺纹焊钉橡胶组合连接杆1的直径(d₁+2d₂)和膨胀剂充填总厚度2d₃之和，固定孔的深度L应等于内侧螺纹橡胶套筒2的长度L₂，大于外侧螺纹焊钉4的长度L₁和膨胀剂充填高度L₃。组配螺纹焊钉橡胶组合连接杆1，具体实施方式为将内侧螺纹橡胶套筒2与外侧螺纹焊钉4嵌入式相连，随后将螺纹焊钉橡胶组合连接杆1镶嵌于固定孔内，使用泥浆泵在四周进行灌浆充填膨胀剂，通过其膨胀机理固定螺纹焊钉橡胶组合连接杆1。

步骤2：单独组装装钢-混组合承压体6及焊钉橡胶支柱13；将橡胶套筒Ⅰ10(厚4mm，高16.5mm)嵌套于连接焊钉9(直径22mm，长200mm)表面，再将矩形钢板7(厚20mm)与连接焊钉9焊接形成钢结构；在承压焊钉15外裹套橡胶套筒Ⅱ14组装焊钉橡胶支柱13；

步骤3：组装完成后将螺纹焊钉橡胶组合连接杆1与钢-混组合承压体6使用阻尼式螺母Ⅰ5在固定孔内铆接，使钢-混组合承压体6紧贴于顶板表面，使用螺母铆接三角构架11与相邻的两两钢-混组合承压体6；将三角构件11铆接于相邻两钢-混组合承压体6的各自中心处，再将焊钉橡胶支柱13与矩形托盘17使用阻尼式螺母Ⅲ16铆接，使用阻尼式螺母Ⅱ12将焊钉橡胶支柱13与三角构架11铆接；

步骤4：使用挡板围于钢-混组合承压体6的四周，并在内侧涂抹润滑剂，使用仪器按预定比例配制高强度的水泥混凝土8，在钢-混组合承压体6中间浇筑水泥混凝土8，待水泥混凝土8凝固后卸除四周挡板。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型顶板支护装置，包括：自上而下依次设置的螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)、钢-混组合承压体(6)、三角构架(11)和焊钉橡胶支柱(13)；

其特征在于，所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)的上端安装于顶板的固定孔处；其中，所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)中的外侧螺纹焊钉(4)包裹于内侧螺纹橡胶套筒(2)之内，所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)与其四周的充填膨胀剂配合使用；

所述钢-混组合承压体(6)为两块矩形钢板(7)与连接焊钉(9)连接而成的无侧壁箱体；所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)的下端与所述钢-混组合承压体(6)的上侧所述矩形钢板(7)固定连接；

所述钢-混组合承压体(6)的下侧所述矩形钢板(7)固定连接在所述三角构架(11)的上部，所述三角构架(11)的下部与所述焊钉橡胶支柱(13)连接；

所述外侧螺纹焊钉(4)的直径d₁、内侧螺纹橡胶套筒(2)的厚度d₂、固定孔的宽度d_s和充填膨胀剂厚度的d₃应当满足d_s＝d₁+2d₂+2d₃；

所述外侧螺纹焊钉(4)的长度L₁、内侧螺纹橡胶套筒(2)的长度L₂、固定孔的深度L和充填膨胀剂的高度L₃应当满足L＝L₂，L₁＝L₃＜L。

2.如权利要求1所述的新型顶板支护装置，其特征在于，所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)通过阻尼式螺母Ⅰ(5)铆接于所述钢-混组合承压体(6)的固定孔端口处，每个所述钢-混组合承压体(6)上铆接一个所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)；所述钢-混组合承压体(6)的两所述矩形钢板(7)与所述连接焊钉(9)焊接，所述连接焊钉(9)上包裹有橡胶套筒Ⅰ(10)。

3.如权利要求2所述的新型顶板支护装置，其特征在于，所述焊钉橡胶支柱(13)由承压焊钉(15)与橡胶套筒Ⅱ(14)裹合而成，所述焊钉橡胶支柱(13)的下端与矩形托盘(17)通过阻尼式螺母Ⅲ(16)铆接。

4.如权利要求3所述的新型顶板支护装置，其特征在于，所述三角构架(11)的两分支架上部通过阻尼式螺母分别铆接于相邻的两个所述钢-混组合承压体(6)的下侧中心位置；所述三角构架(11)的两分支架的相交顶点处与所述焊钉橡胶支柱(13)的上端通过阻尼式螺母Ⅱ(12)铆接。

5.如权利要求2所述的新型顶板支护装置，其特征在于，所述的钢-混组合承压体(6)中的所述矩形钢板(7)厚度为20mm，所述连接焊钉(9)的长度为200mm、直径为22mm，所述橡胶套筒Ⅰ(10)的厚度为4mm、高度为16.5mm。

6.如权利要求4所述的新型顶板支护装置，其特征在于，所述钢-混组合承压体(6)内部需浇筑水泥混凝土(8)，所述水泥混凝土(8)采用C60高强度水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、钢纤维、减水剂配置而成。

7.如权利要求1-6中任一项所述的新型顶板支护装置的安装方法，包括如下步骤：

步骤1：将每个所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)安装至钻孔机在顶板上所打的固定孔中，使用泥浆泵充填膨胀剂，依靠其膨胀机理使所述螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)稳固地镶嵌于顶板岩层的内部；

步骤2：单独组所述装钢-混组合承压体(6)及焊钉橡胶支柱(13)；

步骤3：将螺纹焊钉橡胶组合连接杆(1)与所述钢-混组合承压体(6)铆接，使用螺母铆接所述三角构架(11)与相邻的两所述两钢-混组合承压体(6)的各自中心，再将所述焊钉橡胶支柱(13)与矩形托盘(17)铆接，随后将所述焊钉橡胶支柱(13)与所述三角构架(11)铆接；

步骤4：使用挡板围于所述钢-混组合承压体(6)的四周，使用仪器按预定比例配制高强度的水泥混凝土(8)，在所述钢-混组合承压体(6)中间浇筑所述水泥混凝土(8)，待所述水泥混凝土(8)凝固后卸除四周挡板。